專利名稱：一種納米尺度器件散熱特性的測試結構和測試方法
技術領域：
本發明涉及一種散熱特性的測試方法，尤其涉及一種納米尺度線器件散熱特性的測試方法。通過設計一種簡單的測試結構，并利用現有的技術，從而實現對納米尺度器件的散熱特性進行研究。
背景技術：
隨著 CMOS (Complementary Metal Oxide kmiconductor)器件特征尺寸的縮小和集成密度的不斷提高，電路的功耗和熱量的耗散成為一個普遍關注的問題。當器件特征尺寸進入亞微米、深亞微米領域，電路的集成密度得到了很大的提高，同時急劇增長的功耗帶來芯片溫度的升高，會使器件性能退化，對電路的可靠工作造成影響，甚至可能使整個電路失效。所以近幾十年，人們對材料的熱特性測試的研究給與了越來越多的關注，包括單根納米線熱導率的研究，薄膜熱導率的研究，和整個器件熱導率的研究。相繼出現了許多測試方法，然而當器件尺寸小到一定的程度，傳統的熱特性的研究方法和測試儀器已經逐漸不能滿足測試需求，這給器件熱特性的研究帶來了很大的挑戰，設計一種簡單有效的測試方法是非常有必要的。近年來，對材料熱特性的測試相繼出現了許多方法，例如，steady-state方法，薄膜微米熱量計方法，微拉曼譜法，懸置微器件探測器方法，熱譜方法，熱電鏡方法和3 ω技術等等。其中微拉曼譜法，是基于印度科學家C. V.拉曼(Raman)所發現的拉曼散射效應，而發展出來的一種材料特性的研究方法，早期應用于分子結構研究，由于每種材料都有自己的拉曼峰，并且拉曼峰會隨溫度的不同而產生峰移，所以近年來越來越多的熱采用拉曼光譜的這個性質來研究材料的熱特性，相繼出現了單根納米線材料熱導率的測試，薄層材料熱導率的測試，并逐漸發展成熟。而隨著激光技術的不斷發展，打到物體上的光斑越來越小，使得拉曼光譜法逐漸應用于小尺寸材料。

發明內容
本發明的目的在于結合拉曼激光光譜方法，通過利用一種簡單的結構，實現對納米尺度器件的散熱特性進行研究。本發明提供的技術方案如下一種納米尺度器件散熱特性的測試結構(圖1)，包括源1、漏2、柵3三部分，其特征是，其中源1和漏2之間有一根懸空納米線5 ；柵3和漏2之間有絕緣層6 ；所述結構采用的是圍柵結構，即柵3將納米線5包圍起來，柵3的一端與一個接線板4相連。所述的測試結構，其特征是，所述測試結構以SOI為襯底。所述的測試結構，其特征是，所述絕緣層6為絕緣材料層或者空氣。一種納米尺度器件散熱特性的測試方法，其特征在于，包括如下步驟1)制作上面所述的測試結構；2)由源端開始一直到柵，每隔一段距離D在納米線上取一個點，采用高功率激光依次給納米線上各個點加熱，當整個系統進入穩態時(即各部分的溫度不再變化時)收集各個點的拉曼光譜；3)通過所測得的各個點的拉曼光譜的峰移，計算出每個點與源、漏端之間的溫差，進而求得每個點的溫度；4)計算由柵這條路徑的總的熱阻Rtik和從柵到漏端之間的納米線熱阻Rnro ；5)比較Rrae和Rthd的大小，找出主要散熱路徑。根據測試結果可以對納米尺度器件的散熱途徑進行改善，從而提高器件的特性。所述的測試方法，其特征是，步驟1)所述測試結構是在SOI襯底上制成的。所述的測試方法，其特征是，步驟2~)所述給各點加熱的步驟是在室溫條件下進行的。所述的測試方法，其特征是，步驟2)所述高功率激光為打到納米線上的光斑功率為毫瓦量級的激光。所述的測試方法，其特征是，步驟2)所述距離D = O. 5um。所述的測試方法，其特征是，所述步驟4)，將所得的各個點的溫度T和該點距離源端和納米線連接處的距離X代入公式T = P [Rthi (RTH2+RTH3) ] / (RTH1+RTH2+RTH3) = P (MX2+NX)Rth3 = RTHG//RTro( “//” 為并聯符號)其中Rthi為激光打到的點到源端之間的納米線熱阻，Rth2為激光打到的點到柵之間的納米線熱阻，Rth3為由柵組成的散熱途徑和和由源端組成的散熱途徑總的熱阻，P為納米線吸收總熱量，X為打到納米線上的激光光斑中心到源端的距離，M、N為系數；確定系數M、N，由于M和N中只有Rth3和P兩個未知量，根據上述公式可以計算出Rth3，再由納米線熱阻公式計算出R·，進而計算出RTHe。所述的測試方法，其特征是，步驟幻中，如果RTHe》Rthd,說明源端為主要散熱路徑，否則如果RTHe《R ，則說明柵是主要散熱路徑，如果Rtik與Rnro相當，則說明他們散熱的能力相當。本發明的有益效果本發明提供了一種簡單有效的散熱特性測試方法，通過一種簡單的測試結構，實現了對納米尺度器件散熱特性進行測試，對納米尺度器件散熱結構的設計和材料的選取給出了直接的指導作用，并且為熱阻網絡和器件結構的設計帶來了參考和幫助。


圖1測試結構圖。其中源1;漏2;柵3;接線板4;納米線5;絕緣層6;圖2為測試結構的等效熱阻網絡模型圖。
具體實施例方式下邊結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明，給出一種結合微拉曼光譜法，通過利用一種測試結構來實現對納米尺度器件散熱特性進行測試。(一 )制作測試結構1、襯底為SOI (Silicon-On-Insulator)材料，首先將襯底上層硅減薄，剩余200nm，利用光刻技術在襯底硅層刻出源、漏和源漏之間的Fin條；2、氧化Fin條，并用利用化學試劑將氧化硅漂掉，在結構形成懸空納米線；3、將源漏保護起來，輕微的氧化形成柵氧和絕緣層；4、淀積厚度為250nm的多晶硅，電子束光刻形成柵和連線板，從而形成測試結構；(二)實驗時，由源端開始，沿著納米線每隔0. 5um取一個點，采用高功率(打到納米線上的光斑功率為毫瓦量級)激光依次分別給納米線上各個點加熱，當整個系統進入穩態，既各部分的溫度不再變化時時收集各個點的拉曼光譜；(三)比較各個點的拉曼光譜的拉曼峰的位置，通過測得各點的拉曼峰移，計算出每個點與源漏端之間的溫差(源、漏還有接線板的溫度認為是室溫Ttl)；測試結構的熱阻等效網絡模型如圖2所示，建立數軸，以源端與納米線連接處為原點，沿納米線指向漏端為正方向，當激光打到距原點為X的納米線上時，納米線會吸收一部分激光的熱量，從而使得被激光打到的納米線部分溫度升高，當整個系統進入穩定狀態時，會在測試結構中形成三條穩定的散熱途徑，即由源組成的散熱路徑、由柵和接線板組成的散熱途徑和由漏組成的散熱途徑，假設通過源端路徑散熱的熱流為P1，通過柵和漏端的總熱流為p2，納米線吸收的總得熱量為P，則P = P^P2因此對于激光光斑加熱處納米線的溫度T就可以表示為T-T0 = P1Rthi = P2 (RTH2+RTH3)其中Rthi為激光打到的點到源端之間的納米線熱阻，Rth2為激光打到的點到柵之間的納米線熱阻，Rth3為由柵組成的散熱途徑和和由源端組成的散熱途徑總的熱阻由上述兩個公式得T-T0 = P [Rthi (RTH2+RTH3) ] / (RTH1+RTH2+RTH3)對于長度為L，橫截面積為A的均勻納米線來說，熱阻Rth = L/KA，其中K為納米線熱導率，所以Rthi = X/KA，RTH2 = (l-a-h-X)/KA, 1為本實驗中納米線總長度，a為柵長，h為絕緣層厚度也可以說是柵到漏端的距離，代入上式得T-T0 = P (MX2+NX)其中，M= -1/ [ΚΑ (1-a-h) +K2A2Rth3]，N = [ (l-a-h) /K2A2+RTH3] / [ (l-a-h) /KA+RTH3]，將步驟三中測得的各點的溫度與各點的位置(即各個點距源端的距離)代入上式，由于上述公式只有兩個未知數P和RTH3，所以可以求出P和Rth3的值；而Rth3可以等同于電阻的處理，看作是柵散熱途徑與源散熱途徑并聯，柵散熱途徑熱阻可以用Rtik表示，源散熱途徑熱阻用Rnro表示，即Rth3 = Rthg//Rthd而Rthd可以認為是柵到漏之間的納米線熱阻，即Rnro = (h+a)/KA，所以可以求出
丄、thg ，(四)比較所得的Rthc和Rthd值，如果RthJRthd則說明源端為主要散熱路徑，相反如果R 《R 則說明柵是主要散熱路徑，如果Rnffi與Rthd相當，則說明他們散熱的能力相當，根據實驗結果可以對納米尺度器件的散熱途徑進行改善，從而提高器件的特性；作為一個實施例，上述步驟(一)形成的測試結構中納米線總的長度為1 = IOum,柵長為a = 200nm,絕緣層厚度h = 5nm。
權利要求
1.一種納米尺度器件散熱特性的測試結構，包括源(1)、漏O)、柵(3)三部分，其特征是，其中源⑴和漏⑵之間有一根懸空納米線(5)；柵(3)和漏⑵之間有絕緣層(6)；所述結構采用的是圍柵結構，即柵(3)將納米線(5)包圍起來，柵(3)的一端與一個接線板相連。
2.如權利要求1所述的測試結構，其特征是，所述測試結構以SOI為襯底。
3.如權利要求1所述的測試結構，其特征是，所述絕緣層(6)為絕緣材料層或者空氣。
4.一種納米尺度器件散熱特性的測試方法，其特征在于，包括如下步驟1)制作權利要求1所述的測試結構；2)由源端開始一直到柵，每隔一段距離D在納米線上取一個點，采用高功率激光依次給納米線上各個點加熱，當整個系統進入穩態時收集各個點的拉曼光譜；3)通過所測得的各個點的拉曼光譜的峰移，計算出每個點與源、漏端之間的溫差，進而求得每個點的溫度；4)計算由柵這條路徑的總的熱阻Rtik和從柵到漏端之間的納米線熱阻R·；5)比較Rtik和R·的大小，找出主要散熱路徑。
5.如權利要求4所述的測試方法，其特征是，步驟1)所述測試結構是在SOI襯底上制成的。
6.如權利要求4所述的測試方法，其特征是，步驟2)所述給各點加熱的步驟是在室溫條件下進行的。
7.如權利要求4所述的測試方法，其特征是，步驟2)所述高功率激光為打到納米線上的光斑功率為毫瓦量級的激光。
8.如權利要求4所述的測試方法，其特征是，步驟2)所述距離D= O. 5um。
9.如權利要求4所述的測試方法，其特征是，所述步驟4)，將所得的各個點的溫度T和該點距離源端和納米線連接處的距離X代入公式T = P[RTH1(RTH2+RTH3)]/(RTH1+RTH2+RTH3) = P (MX2+NX)RTH3 — Rthg//RTHD其中Rthi為激光打到的點到源端之間的納米線熱阻，Rth2為激光打到的點到柵之間的納米線熱阻，Rth3為由柵組成的散熱途徑和和由源端組成的散熱途徑總的熱阻，P為納米線吸收總熱量，X為打到納米線上的激光光斑中心到源端的距離，M、N為系數；確定系數M、N，根據上述公式計算出RTH3，再由納米線熱阻公式計算出RTHD，進而計算出RTHe。
10.如權利要求4所述的測試方法，其特征是，步驟幻中，如果RTHe》RTHD，說明源端為主要散熱路徑，否則如果Rnffi《Rthd，則說明柵是主要散熱路徑，如果Rtik與Rnro相當，則說明他們散熱的能力相當。
全文摘要
本發明公布了一種納米尺度器件散熱特性的測試結構和測試方法。結構包括源(1)、漏(2)、柵(3)三部分，源(1)和漏(2)之間有一根懸空納米線(5)；柵(3)和漏(2)之間有絕緣層(6)；該結構采用圍柵結構，柵(3)的一端與一個接線板(4)相連。由源端開始一直到柵，每隔一段距離在納米線上取一個點，采用高功率激光依次給納米線上各個點加熱，通過所測得的各個點的拉曼光譜的峰移，計算出每個點與源、漏端之間的溫差，進而求得每個點的溫度；計算由柵這條路徑的總的熱阻RTHG和從柵到漏端之間的納米線熱阻RTHD；比較RTHG和RTHD的大小，找出主要散熱路徑。根據測試結果可以對納米尺度器件的散熱途徑進行改善，從而提高器件的特性。
文檔編號H01L23/544GK102569261SQ20121000599
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月10日 優先權日2012年1月10日
發明者孫帥, 林增明, 王潤聲, 鄒積彬, 黃如 申請人:北京大學